الفصل الاول
- المفاعلات النووية
المفاعل النووي:- هو اداة تسمح بحدوث تفاعل تسلسلي انشطاري يمكن التحكم به بطريقة يتم بها انتاج الطاقة والنيوترونات للاغراض البحثية او لانتاج النضائر.والمواد الاساسية في المفاعل النووي هي:-
الوقود النووي :- الذي يحافظ على استمرار تفاعل الانشطار التسلسلي .
المهدئ :- وذلك لتهدئة وتبطئة النيوترونات السريعة لتحسن احتمالية حدوث التفاعل الانشطاري
الغلاف :- الذي يحوي اقراص او قضبان الوقود بحيث تبقى انواع الانشطار النشطة اشعاعيا حبيسة تفاديا لانطلاقها الى البيئة.
المبرد :- لامتصاص النيوترونات والتحكم في معدل حدوث الانشطار التسلسلي.
وفي مايلي انواع المفاعلات النووية
المفاعلات البحثية :-
لقد تم انشاء اكثر من 400 مفاعل للبحث والاختبار في مختبرات جامعية وحكومية ,بينما تمتلك مفاعلات بحوث صغيرة قوة اقل او حوالي 6 كيلو واط . بحيث انها لاتحتاج الى تبريد شديد , يعمل اكبر مفاعل اختبار عند اقل او حوالي 50mwth)) للعديد من هذة المفاعلات التسهيلات اللازمة لانتاج النويدات المشعة تجاريا .
تستعمل مفاعلات البحث فى الفيزياء النووية في كل من الكيمياء التحليلية والتركيبية في علم الاحياء الاشعاعي وفي الطب ...........الخ ويكون عملها سهلا عادة وسلميا فطريا ً , وكلفتها قليلة , حوالي مليون دولار لاصغر واحد . العديد منها من نوع متجمع . يقع قلب المفاعل في مركز الوعاء الكونكريتي بعمق مساويا الى (6-8) م وعرضهة مساوي الى (2 – 5 )م حاويا ماءا نقيا يلصق التركيب الوقودي الى قالب فولاذي ويعلق من الجسر الذي يقطع عرض التجمع ويكون قلب المفال مكشوفا ويمكن رؤيتة من سطح الماء , يجهز الماء حجب الاشعاع الاساس, والتنظيم , والتبريد,ويصل سمك الجدران الكونكريتية الى حوالي 2م عندما يقع المفاعل فوق الارض ,والا فيمكن استعمال جدران اقل سمكا والطلب الرئيسي للحماية من الاشعاع هو بسبب التفاعل
16O(n,p)16N bg
7 s
يكون انبعاث gs ذات طاقة عالية (2 : 6 ميكا الكترون فولت ) وقد يكون التبريد ضروريا لمستويات قوة اكبر من 100 كيلو واط .يكون الوقود عادة ً على شكل قضبان او صفائح غنية جدا ً باليورانيوم ( الى حد 90 % ) وتكون كمية 235U اقل او حوالي 3 كغم.
وللمفاعلات البحثية اهداف منها :-
التشعيع النيوتروني/حيث توضع المادة المراد تشعيعها بالنيوترونات في احد قنوات المفاعل وقد يكون الهدف منة دراسة تأثير النيوترونات على المدة ذاتها لاسيما اذا كانت إحدى المواد المستخدمة في بناء المفاعل , او بهدف تحويل بعض عناصرها الى نظائر مشعة لاستخدامها في الطب والصناعة والزراعة والبحث العلمي
لبعض مفاعلات البحث قناة خاصة تسمى ((القناة الحرارية)) تسمح بخروج النيوترونات (البطيئة) خارج المفاعل لاجراء دراسات عليها او بواسطتها خارج قلب المفاعل
تصميم بعض مفاعلات البحث لاستخدامها في اجراء دراسات (فيزياء المفاعل ) ذاتة مثل دراسة تغير كثافة الفيض النيوتروني ودرجات الحرارة ودراسة تولد البلوتونيوم – 239 وتجمع نواتج الانشطار النووي وأثرها على فعالية وسلوك تصاميم جديدة ومحسنة للوقود وكذلك لدراسة حوادث غير مبرمجة قد تحدث للمفاعل أثناء تشغيله.
إضافة لذلك فلمفاعلات البحث فائدة كبيرة في تدريب المهندسين والعمليين وتطوير خبراتهم في تشغيل وتصميم المفاعلات النووية ودراسة المواصفات المتداخلة والمعقدة والخطرة أحيانا.ً
ان احد التصاميم الشائعة لمفاعلات البحث والتجربة يسمى (( مفاعل حوض السباحة )) وهو مكون من قلب من اليورانيوم الغني المحتوي على نسبة عالية من اليورانيوم – 235 يوضع اسفل حوض عميق مملوء بالماء , ويلعب الماء دور المهدئ وعاكس ومبرد وغلاف واق من الإشعاع ويهيئ هذا التصميم فرصة النضر الى قلب المفاعل عندما يكون في الحالة الحرجة وهي فرصة لايهيئها أي تصميم اخر وعند النظر الية نرى انبعاث ضياء ازرق منة يسمى((إشعاع سيرنكوف)) وسببه انطلاق بعض الإشعاعات من قلب المفاعل بسرعة في الماء تفوق سرعة الضوء في الماء
-ب- مفاعلات إنتاج البلوتونيوم
تنتج جميع أنواع المفاعلات عنصر البلوتونيوم بفعل امتصاص نوى اليورانيوم -238 للنيوترونات , وإذا تطلب الأمر الحصول على البلوتونيوم لغرض استخدامه لإنتاج الأسلحة النووية عندئذ تصمم مفاعلات خصيصا لهذا الغرض حيث تنتج البلوتونيوم بمواصفات تلائم الغرض من إنتاجه , ويمكن الوصول إلى أفضل معدل لإنتاج البلوتونيوم – 239 باختيار دقيق لهندسة قلب المفاعل حتى ولو كان ذلك على حساب خسارة بعض المزايا من إجراء هذا التصميم , وفي مثل هذه المفاعلات يجب استبدال الوقود النووي على فترات لاتتجاوز السنتين , حيث بعد هذه المدة يلعب انشطار نوى البلوتونيوم – 239 دورا هاما وعندها تتكون هذه النوى وتنشطر في الوقت نفسه فلا يزداد تركيزها كثيرا إضافة لذلك ثمة ظهور مشكلة اخطر وهي إن نوى البلوتونيوم -239 تمتص النيوترونات لتتحول إلى نوى البلوتونيوم -240 والى البلوتونيوم -241 والبلوتونيوم -242 ويتراكم مقدار البلوتونيوم 240 بسرعة لعدم قابلية نواه على الانشطار, وإذا احتوى البلوتونيوم المنتج على قدر لا بأس به من نظير البلوتونيوم240 يصبح غير موثوق بة كمادة لصنع الأسلحة لذلك يجب ازالة الوقود النووي من المفاعل قبل بدء هذا النظير بالتراكم ومعالجته لغرض استخلاص البلوتونيوم -239 واستخدامه في صنع القنابل النووية
-جـ- مفاعلات إنتاج الطاقة
تصنف المفاعلات المنتجة للطاقة وفقا ً لأسلوب إحداث الانشطار النووي إلى مفاعلات حرارية ومفاعلات سريعة وتصنف ضمن كل نوع استنادا إلى نوع الوقود المهدئ إلى:-
1- المفاعلات الحرارية :- التي يحدث فيها الانشطار النووي بواسطة النيوترونات الحرارية وتسمى بالحرارية لان عملية انشطار اليورانيوم تحدث بفعل نيوترونات حرارية (بطيئة) .
تم إنشاء مفاعلات إنتاج القوة الكهربائية التي تصل إلى 1300 ميكا واط ولكن بجميع الحجوم الشائعة تنحصر بالمدى ( 500 – 1000 ) وبنقصان الحجم تزداد كلفة القوة الكهربائية عادة ً . للمعامل الصغيرة الحجم بعض الفوائد ,تكون أكثر ثقة بسبب الشد القليل للمكونات فمن الممكن إنشاؤها بسهولة أكثر في مناطق بعيدة لسهولة نقل المكونات الصغيرة وقد تكون الشبكة الكهربائية أكثر قدرة على اكتساب القوة المعدلة الإضافية
أ- مفاعلات حرارية مهدأة بالكرافيت ومبردة بالماء
يتالف قلب هذا المفاعل من الكرافيت تتخلله قضبان الوقود ويستخدم غاز ثنائي اوكسيد الكربون المضغوط لنقل الحرارة المتولدة إلى المبادل الحراري خارج قلب المفاعل . وتصنف هذة المفاعلات تبعا لنوع الوقود المستخدم إلى عدة انواع
1- مفاعلات تستخدم وقود فلز اليورانيوم الطبيعي المغلف بسبيكة المغنسيوم . وتمثل هذه المفاعلات الجيل الأول المستخدم في محطات إنتاج الطاقة الكهربائية . ويتكون الوقود من قضبان من فلز اليورانيوم الطبيعي وطول القضيب الواحد حوالي المتر ومغلف تغليفا محكما داخل اسطوانة مصنوعة من سبيكة لفلز المغنسيوم , ويمكن للقضيب الواحد إنتاج الطاقة في المفاعل لمدة خمس سنوات وباستمرار وتعادل الطاقة التي ينتجها القضيب الواحد طاقة حرق مائة وخمسين طنا ً من الفحم . هذا ويحتوي قلب المفاعل على ما يقارب خمسين ألف قضيب من الوقود
2- مفاعلات تستخدم وقودا مكونا من اوكسيد اليورانيوم الغني , وتصل نسبة الاغناء باليورانيوم – 235 إلى حوالي 2% ويغلف الوقود بفولاذ لا يصدأ. وتمثل هذه المفاعلات الجيل الثاني من المفاعلات الحرارية المهدأة بالكرافيت والمبردة بالغاز وتسمى (المفاعلات الغازية المتطورة ) حيث تعمل عند درجات حرارة أعلى وبكفاءة أفضل من كفاءة الجيل الأول من المفاعلات
3- مفاعلات تستخدم وقودا مكونا من اوكسيد اليورانيوم الغني , ذي نسبة أغناء باليورانيوم -235 تتراوح بين 4.4% إلى 5.5 % والوقود بهيئة حبيبات كل واحدة مغلفة بالكرافيت وكاربيد السيلكون وتغلف كل مجموعة من الحبيبات في قضيب للوقود بالكرافيت وتمثل هذه المفاعلات الجيل الثالث من المفاعلات الحرارية المهدأة بالكرافيت والمبردة بالغاز
إن أفضلية استعمال الكرافيت على الماء كمهدئ هي بصورة أولية إمكانية وصول البخار درجات حرارية عالية ولكن له فوائد أخرى أيضا كمهدئ يكون أفضل من الماء الخفيف , اقل كلفة من الماء الثقيل , ويمتلك ثباتا ميكانيكيا مرشدا إلى تصميم بسيط للقلب
-ب-مفاعلات حرارية مهدأة بالماء الثقيل ومبردة بالماء الاعتيادي
يستخدم في هذه المفاعلات وقود مكون من اوكسيد اليورانيوم الغني وبدرجة إغناء تتراوح بين 2% إلى 3% ومغلف بسبيكة لفلز الزركونيوم , حيث توضع قضبان الوقود داخل أنبوب من الغلاف مصنوع بأسلوب كي يتحمل ضغطا عاليا , وترتب هذه القضبان بشكل هندسي داخل مادة المهدئ المكونة من الماء الثقيل ومعزولة عنة بأسلوب يسمح بمرور أنابيب تحتوي على الماء الاعتيادي المستخدم لتبريد الوقود ونقل حرارته إلى خارج المفاعل والى المبادل الحراري
اخوكم القيسي